Over-steering lateral dynamics control of an over-actuated vehicle

Safety and performance have always been two fundamental aspects in the automotive field, even though they have conflicting goals such as driving comfort, pleasure and stability in the limits of handling. This thesis focuses on the best trade-off between the two in a slightly drifting over-actuated vehicle. Oversteering offers an increase in sportiness and driving pleasure for experienced drivers but it can be dangerous and impossible to handle for average ones since it operates at the friction limit of tires. Then the control logic must permit a different response of the vehicle depending on the driver but always ensure stability. Desired reference values are generated from the steering input of the driver but it can be extended to an autonomous vehicle and the controller duty is to track this reference by means of the vehicle actuators such as torque vectoring and steering system. The subject of the analysis is the lateral dynamics control of the vehicle, being the most critical and responsible for oversteering whereas the longitudinal dynamics are taken as input, and are therefore not considered. The tracking procedure must take into account the real limits of the vehicle and has been developed with a Linear Quadratic Regulator (LQR) at first instance and then with a more sophisticated Sliding Mode Controller (SMC). Both control logics have been applied to a simplified linear model of the vehicle with two degrees of freedom to understand the behaviour and the parameters of influence and then extended to a more complicated nonlinear vehicle model. All the models and simulations have been performed with Matlab & Simulink®.

La sicurezza e le prestazioni sono da sempre stati due aspetti fondamentali nel campo automobilistico, anche se hanno obiettivi contrastanti, quali il piacere di guida e la stabilità in condizioni limite. Questa tesi si concentra sul miglior compromesso tra i due in un veicolo leggermente alla deriva con diverse possibilità di attuazione. Il sovrasterzo offre un aumento di sportività e piacere di guida per autisti esperti, ma può essere pericoloso e impossibile da gestire per conducenti nella media, in quanto opera al limite di attrito degli pneumatici. La logica di controllo deve quindi consentire una diversa risposta del veicolo a seconda del conducente, assicurandone sempre la stabilità. I valori di riferimento desiderati vengono generati dalla manovra richiesta dal conducente. Tuttavia, questo concetto può essere esteso a un veicolo autonomo e l’ obiettivo del controllore è quello di raggiungere questo riferimento attraverso i sistemi di attuazione installati sul veicolo come il Torque Vectoring e lo sterzo. L’oggetto dell'analisi è il controllo della dinamica laterale del veicolo, essendo questa critica e responsabile del sovrasterzo, mentre la dinamica longitudinale è utilizzata come input e quindi non considerata. La procedura di tracciamento deve tenere conto dei limiti reali del veicolo ed è stata sviluppata in prima istanza con un regolatore quadratico lineare (LQR), in seguito con un più sofisticato Sliding Mode Control (SMC). Entrambe le logiche di controllo sono state applicate a un modello lineare semplificato del veicolo con due gradi di libertà per comprendere il comportamento e i parametri di influenza e quindi esteso a una modello del veicolo non lineare e quindi più complicato. Tutti i modelli e le simulazioni sono stati eseguiti con Matlab & Simulink®.